DE3602419A1 - Generating milling cutter for composite materials - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Walzfräser für Verbundwerkstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a milling cutter for composite materials according to the preamble of claim 1.
Das Walzfräsen ist ein intermetierendes Zerspanverfahren, bei dem ausschließlich auf dem Umfang des rotierenden Werk zeuges angeordnete Schneiden an der Zerspanung beteiligt sind. Die Schneidenanzahl kann dabei minimal bis auf eine einzige Schneide reduziert sein und ist nach oben durch den steigenden Fertigungsaufwand und einer Abnahme der mechanischen Belast barkeit begrenzt. Die Bezugssysteme und Winkel am Schneidkeil sind in der DIN 6581 und die Kraftbezeichnungen in der DIN 6584 genormt.Roll milling is an intermittent machining process at the only on the circumference of the rotating work Were arranged cutting are involved in the machining. The number of cutting edges can be minimal except for one Cutting edge is reduced and is rising by the rising Manufacturing effort and a decrease in mechanical stress availability limited. The reference systems and angles on the cutting wedge are in DIN 6581 and the force designations in DIN 6584 standardized.
Das Walzfräsen dient in der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen (z.B. GFK, CFK, AFK, Sperrholz) zum Erzielen einer hohen Maßgenauigkeit an Paßstellen, dem Entgraten und der Erzeugung komplizierter zweidimensionaler Strukturen. Ungünstigerweise verfügen dieVerbundwerkstoffe über Materialeigenschaften, die einer problemlosen Zerspanung entgegenstehen. Im folgenden sind daher die Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen aufgeführt, da diese die technisch bedeutendsten Verbundwerk stoffe darstellen.Roll milling is used in the processing of composite materials (e.g. GFK, CFK, AFK, plywood) to achieve a high Dimensional accuracy at fitting points, deburring and generation complicated two-dimensional structures. Unfortunately the composite materials have material properties that prevent problem-free machining. Hereinafter are therefore the properties of fiber-reinforced plastics listed as this is the technically most important composite represent fabrics.
Der Zusammenhalt des Verbundes ist sehr nachteilig durch die niedrige Festigkeit der Matrix oder der Haftung an der Grenz fläche Faser-Matrix beeinflußt. Als Konsequenz entstehen bei Überbeanspruchung der Harzmatrix, z. B. durch Fräskräfte, Ablösungen (Delaminationen) im Faser-Harz-Verbund. Das linear elastische Bruchverhalten der Verbundwerkstoffe erzeugt hohe örtliche Kraftspitzen, weil Spannungen nicht durch plastische Verformung gemildert werden. Dies führt zu einer starken Schwingungsanregung der Werkzeugmaschine und erhöht die Delaminationsneigung. Die Zerspanung ergibt pulverigen oder faserigen Staub, der eine Gesundheitsbelastung für den Menschen bedeutet. Aus diesem Grund ist der freiwerdende Staub unbedingt wirkungsvoll abzusaugen. Faserverbundwerk stoffe lassen sich schwer sauber trennen, so daß fransige Schnittflächen mit schlechter Oberflächenqualität zurück bleiben. Im Extremfall, z. B. der Zerspanung von Uni Direc tional Material bedingt eine Fräszerspanung eine Aufsplit terung der Außenlagen oder sogar eine Trennung des Materials parallel zur Faserrichtung.The cohesion of the network is very disadvantageous due to the low strength of the matrix or adhesion at the border area affected by the fiber matrix. As a consequence arise at Overuse of the resin matrix, e.g. B. by milling forces, Detachments (delaminations) in the fiber-resin composite. The linear elastic fracture behavior of the composite materials high local force peaks because tensions do not pass through plastic deformation can be mitigated. This leads to a strong vibration excitation of the machine tool and increased the tendency to delamination. The machining results in powdery or fibrous dust, which is a health hazard for the Means people. For this reason, the liberator It is essential to vacuum dust effectively. Fiber composite fabrics are difficult to cleanly separate, so that frayed Cut surfaces with poor surface quality stay. In extreme cases, e.g. B. the machining of Uni Direc tional material requires a milling cut the outer layers or even a separation of the material parallel to the grain.
Es ist bekannt, die Walzfräsbearbeitung von Verbundwerkstoffen mit zwei unterschiedlichen Fräsertypen vorzunehmen.It is known to mill composite materials with two different milling cutter types.
Harte, spröde Materialien (GFK, CFK) werden mit im wesent lichen aus dem Metallsektor bekannten Fräsergeometrien (z. B. Schaftfräser) bearbeitet und dabei hoch verschleißfeste Schneidstoffe eingesetzt.Hard, brittle materials (GRP, CFRP) are essentially used Milling geometries known from the metal sector (e.g. End mill) machined and highly wear-resistant Cutting materials used.
Für zähe, hochfeste Materialien (AFK) wurden speziell angepaßte Geometrien entwickelt. Beim "Japanischen Fräser" sind die Schneiden abwechselnd mit gegenläufigen Drallwinkeln versehen. Auf dem Umfang von Rotierfräsern sind eine Vielzahl von Kleinstschneiden angeordnet. Diese Kleinstschneiden haben eine Rhombusform, deren große Längsachse in Fräser-Axial richtung zeigt. Den Umfang des "Splitt-Helix Fräser" bilden abwechselnd Freiflächen und eine Vielzahl übereinander angeordnete Schneidkeile. Die Schneidkeile haben einen extrem großen Drallwinkel. Jeder mit Keilen besetzte Umfangs bereich zeichnet sich abwechselnd entweder durch einen positiven oder einen negativen Drallwinkel aus. (Heintze, G.: Die Bearbeitung von Kevlar verstärkten Verbund werkstoffen. Firmenunterlage DU PONT 1982 Lampa, W.: Spanende Bearbeitung von faserverstärkten Kunst stoffen im Flugzeugbau. DGLR-Jahrestagung. München 1983 Firmeninformation Klenk. 1985) For tough, high-strength materials (AFK) have been specially adapted geometries developed. With the "Japanese router" the cutting edges are alternating with opposing helix angles Mistake. There are a large number of rotary milling cutters arranged by small cutting edges. These have small edges a rhombus shape, the large longitudinal axis of which is in milling cutter axial direction shows. Form the circumference of the "split helix cutter" alternating open spaces and a large number on top of each other arranged cutting wedges. The cutting wedges have one extremely large swirl angle. Any girth wedged area is alternately characterized by either positive or negative swirl angle. (Heintze, G .: The processing of Kevlar reinforced composite materials. Company document DU PONT 1982 Lampa, W .: Machining of fiber-reinforced art fabrics in aircraft construction. DGLR annual conference. Munich 1983 Company information Klenk. 1985)
Dabei ist allerdings die Fertigung einer einwandfreien Schnittkante nur bedingt möglich. Die in der Bearbeitung von harten, spröden Materialien eingesetzten Fräsgeometrien erzeugen hohe örtliche Kraftspitzen, so daß ständig Delami nationgefahr besteht. Des weiteren verbleiben oftmals ausge franste Außenlagen. Die Fräser zur Bearbeitung zäher, hoch fester Werkstoffe neigen durch kleine Spanfreiräume zum Zusetzen. Die Fertigung der Schneidengeometrie und ein eventuelles Nachschärfen ist sehr aufwendig. Allen Fräser typen gemeinsam ist die ungerichtete Freiwerdung von Spänen, die daher großflächig abzusaugen sind.However, the manufacture is a flawless one Cutting edge only possible to a limited extent. The in the processing of hard, brittle materials used milling geometries generate high local force peaks, so that Delami constantly national danger exists. Furthermore, often remain out frayed outer layers. The milling cutters tough, high Solid materials tend to have small chip spaces Clog. The manufacture of the cutting geometry and a possible resharpening is very complex. Allen router common is the undirected release of chips, which must therefore be vacuumed off over a large area.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Delaminations neigung durch Vermeidung von hohen örtlichen Kraftspitzen herabzusetzen und eine Schnittkante von hoher Genauigkeit ohne Ausfransungen zu erzielen.The invention has for its object the delamination inclination by avoiding high local force peaks reduce and a cutting edge of high accuracy without To achieve fraying.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßigerweise sind in Anpassung an unterschiedliche Bearbeitungsmaterialien die aufeinander zulaufenden Haupt schneiden in der Seitenansicht konvex, geradlinig oder konkav ausgeführt.This task is carried out in a generic device the characterizing features of claim 1 solved. Are expedient to adapt to different Machining materials the converging main cut convex, straight or concave in the side view executed.
Günstigerweise ist der Walzfräser ausgehöhlt und verfügt über Aussparungen unter den Schneiden, so daß die bei der Zerspanung freiwerdenden Späne in den Wälzfräser-Hohlraum gelangen und von dort abgesaugt werden können.The milling cutter is advantageously hollowed out and has via recesses under the cutting edges, so that at the Cutting chips are released into the hob cavity get there and can be suctioned off.
In einer bevorzugten Ausführung wird das Absaugen der Späne mit Hilfe eines unterseitig im Fräser gleit- oder kugelge lagerten Rohres vorgenommen.In a preferred embodiment, the suction of the chips with the help of a slide or ball joint on the underside of the milling cutter stored tube made.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß gegenüber den nach dem Stand der Technik eingesetzten Walz fräsern eine wesentlich verringerte Delaminationsgefahr besteht und eine höhere Oberflächengüte ohne Ausfransen der Außenlagen entsteht. Die gerichtete Spanabfuhr erlaubt eine Absaugung der Späne in den Fräser-Hohlraum, so daß der Platzbedarf für die Absaugung abnimmt. Ein Nachschleifen der Schneide oder eine Auswechslung der gesamten Schneide ist auf einfache Weise möglich.The advantages achieved by the invention are that compared to the roll used according to the prior art cut a significantly reduced risk of delamination exists and a higher surface quality without fraying the Outside locations arise. Directional chip removal allows one Extraction of the chips in the cutter cavity, so that the Space requirement for the suction decreases. Regrinding the Cutting edge or a replacement of the entire cutting edge easily possible.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigenAn embodiment of the invention is in the drawings shown and is described in more detail below. Show it
Fig. 1 Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Walzfräsers Fig. 1 side view of a milling cutter according to the invention
Fig. 2 Schnitt A-B Fig. 2 section AB
Fig. 3 Ansicht X Schneide mit parabolischer Verjüngung Fig. 3 view X cutting edge with parabolic taper
Fig. 4 Schneide mit linearer Verjüngung Fig. 4 cutting edge with linear taper
Fig. 5 Schneide mit konkaver Verjüngung. Fig. 5 cutting edge with concave taper.
In der Fig. 1 ist die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fräsers dargestellt. Der Grundkörper 6 des Walzfräsers ist oben für die Befestigung in einer Spannzange zylindrisch gestaltet. Selbstverständlich kann die Verbindung von Fräser und Maschinenspindel auch mit anderen nach dem Stand der Technik gebräuchlichen Verbindungsformen erfolgen. Unter dem Spannbereich ist der Fräserdurchmesser erweitert. Dieser Fräserteil ist innseitig ausgedreht und nimmt in einem Feingewinde einen Deckel 2 auf, der den ausgehöhlten Abschnitt des Grundkörpers 6 von unten verschließt. Ein Rohr 11 ragt durch eine zentrische Bohrung im Deckel 2 in den Fräser-Hohlraum. Es ist mit zwei Sicherungsringen 7, 9 axial in einem Kugellager 10 fixiert. Für die Befestigung des Kugellageraußenringes ist der Deckel 2 auf der dem Hohl raum zugewandten Seite ausgedreht. Die axiale Lage des Kugel lagers 10 sichert nach oben eine massive, gebohrte Scheibe 8 und ein darüber im Deckel 2 klemmender Sicherungsring 7. Die Länge des Rohres 11 ist gerade so bemessen, daß es dicht unterhalb der Scheibe 8 endet. Die Bohrung in der Scheibe 8 besitzt einen zum Innenmaß des Rohres 11 passenden Durch messer.In Fig. 1 a side view is shown of a milling cutter according to the invention. The base body 6 of the milling cutter is cylindrical at the top for fastening in a collet. Of course, the milling cutter and machine spindle can also be connected to other types of connection customary in the prior art. The cutter diameter is expanded under the clamping range. This cutter part is turned out on the inside and accommodates a cover 2 in a fine thread, which covers the hollowed-out section of the base body 6 from below. A tube 11 protrudes through a central bore in the cover 2 into the cutter cavity. It is axially fixed in a ball bearing 10 with two retaining rings 7 , 9 . For the attachment of the ball bearing outer ring, the cover 2 is turned out on the side facing the cavity. The axial position of the ball bearing 10 secures a massive, drilled disc 8 and a locking ring 7 which clamps in the cover 2 above. The length of the tube 11 is just such that it ends just below the disc 8 . The bore in the disc 8 has a diameter matching the inner dimension of the tube 11 .
Auf dem Umfang des Grundkörpers 6 sind in Höhe des Hohl raumes zwei gegenüberliegende Schneiden 5 angeordnet, die das Bearbeitungsmaterial zerspanen.On the circumference of the base body 6 , two opposing cutting edges 5 are arranged at the level of the hollow space, which cut the machining material.
In der Fig. 2 ist in einem Schnitt auf Schneidenmitte die Befestigung der Schneiden 5 auf dem Grundkörper 6 darge stellt. Die beiden Schneiden 5 sind jeweils in einer Radialnut eingelötet. Es ist dem Fachmann ersichtlich, daß bei einer Abwandlung der Schneiden 5 diese für eine schnelle Wechselmöglichkeit auf den Grundkörper 6 geschraubt oder geklemmt werden können. Unter der Schneide 5 befindet sich eine lange Radialaussparung, die die Spanabfuhr in den Innenraum des Grundkörpers 6 und eine Zugänglichkeit der Schneide 5 von der dem Hohlraum zugewandten Seite gestattet.In Fig. 2, the attachment of the cutting edges 5 on the base body 6 is Darge in a section on the cutting center. The two cutting edges 5 are each soldered into a radial groove. It is apparent to the person skilled in the art that if the cutting edges 5 are modified, they can be screwed or clamped onto the base body 6 for a quick change option. There is a long radial recess under the cutting edge 5 , which allows chip removal into the interior of the base body 6 and access to the cutting edge 5 from the side facing the cavity.
In der Fig. 3 ist die Ansicht X der Fig. 2 (genauer: Der abgewickelte Umfang) dargestellt. Die Schneide 5 verfügt über zwei axial übereinander angeordnete Hauptschneiden 3, 4, die in Richtung zunehmender Schnittlänge keilförmig aufein ander zulaufen. Die beiden Hauptschneiden 3, 4 sind konvex gekrümmt, so daß in der Seitenansicht die gesamte Schnitt fläche parabolisch verläuft. FIG. 3 shows the view X of FIG. 2 (more precisely: the developed circumference). The cutting edge 5 has two main cutting edges 3 , 4 arranged axially one above the other, which taper towards one another in the direction of increasing cutting length. The two main cutting edges 3 , 4 are convexly curved, so that the entire sectional area is parabolic in the side view.
In der Fig. 4 ist eine Variationsform der Schneide 5 dar gestellt. Die axial übereinander angeordneten Hauptschneiden 3, 4 sind geradlinig ausgeführt.In FIG. 4 a variation of shape of the blade 5 is placed represents. The main cutting edges 3 , 4 arranged axially one above the other are straight.
In der Fig. 5 ist eine weitere Variationsform der Schneide 5 dargestellt. Die axial übereinander angeordneten Haupt schneiden 3, 4 sind konkav ausgeführt.In FIG. 5, a further variation of shape of the cutting edge 5 is shown. The axially arranged main cut 3 , 4 are concave.
Der Fräser wird mit dem zylindrischen Bereich des Grundkörpers 6 in der Spannzange der Maschinenspindel verklemmt. Die Höhenlage des Fräsers ist so einzustellen, daß die Schneiden mitte mit der Werkstückmitte übereinstimmt. Mit welcher Genauigkeit dies zu erfolgen hat, hängt von der Werkstückdicke und der Schneidengeometrie ab. Massive Werkstücke und große Keilwinkel zwischen den Hauptschneiden 3, 4 benötigen weniger Justieraufwand als die Bearbeitung dünnwandiger Materialien mit kleinen Keilwinkeln. Sobald der Fräser in Uhrzeigerrich tung rotiert, beginnt die Zerspanung. Für die Erklärung des Schneidvorganges sei im folgenden angenommen, daß die Schnittgeschwindigkeit wesentlich größer als die Vorschub geschwindigkeit ist. Als Konsequenz stimmen Wirkgeschwindig keit und Schnittgeschwindigkeit weitgehend überein. Sobald die beiden Hauptschneiden 3, 4 die Ober- und Unterkante des Werkstücks berühren, wirken neben den Vorschub- und Vorschubnormalkräften hohe Passivkräfte FP auf die Außenlagen des Materials. Die Außenlagen werden abgetrennt - quasi geschnitten - und mit dem Vorrücken der Fräserschneide auch die inneren Werkstückbereiche abgeschert. Dadurch, daß zuerst die Außenlagen und dann die Innenbereiche zerspant werden, ist der Schnittkraftverlauf sehr gleichmäßig und auf einem niedrigen Niveau. Dies vermeidet eine starke Verspannung des Systems Werkstück-Werkzeugmaschine, so daß die Bear beitungsgenauigkeit ansteigt und die Delaminationsneigung sinkt. Ziel der Schneidenoptimierung (Länge-Höhe, Konvex, geradlinig, konkav) sind demnach möglichst niedrige, konstante Schnittkräfte und eine hohe Oberflächenqualität ohne Delami nationen.The milling cutter is clamped to the cylindrical region of the base body 6 in the collet of the machine spindle. The height of the milling cutter must be set so that the cutting center coincides with the center of the workpiece. The accuracy with which this has to be done depends on the workpiece thickness and the cutting edge geometry. Solid workpieces and large wedge angles between the main cutting edges 3 , 4 require less adjustment effort than the processing of thin-walled materials with small wedge angles. As soon as the milling cutter rotates clockwise, the machining begins. For the explanation of the cutting process, it is assumed in the following that the cutting speed is significantly greater than the feed speed. As a consequence, the effective speed and cutting speed largely agree. As soon as the two main cutting edges 3 , 4 touch the upper and lower edge of the workpiece, high passive forces FP act on the outer layers of the material in addition to the feed and feed normal forces. The outer layers are separated - quasi cut - and the inner workpiece areas are sheared off as the cutter edge advances. Because the outer layers are machined first and then the inner areas, the cutting force is very even and at a low level. This avoids strong distortion of the workpiece-machine tool system, so that the machining accuracy increases and the tendency to delamination decreases. The goal of cutting edge optimization (length-height, convex, straight-lined, concave) is therefore the lowest possible, constant cutting forces and high surface quality without delamination.
Die bei der Zerspanung freiwerdenen pulverigen oder faserigen Stäube strömen über die Aussparung unter der Schneide 5 in den Walzfräser-Hohlraum. Der Unterdruck im sich nicht drehenden Rohr 11 saugt die Späne in einem Staubsauger ab. Zum Schutz des Kugellagers 10 besitzt dieses Dichtscheiben und ist von der massiven Scheibe 8 abgedeckt. Sollte der Walzfräser-Hohlraum durch ungünstige Spangeometrien verstopft sein oder ist bei der Bearbeitung zuwenig Raum unter dem Fräser vorhanden, wird der Deckel 2 herausge schraubt. Neben der dargestellten Absaugvariante ist es denkbar, den Unterdruck im Walzfräser-Hohlraum von der Fräseroberseite oder vom Umfang her anzulegen.The powdery or fibrous dusts released during machining flow through the cutout under the cutting edge 5 into the milling cutter cavity. The negative pressure in the non-rotating tube 11 sucks the chips off in a vacuum cleaner. To protect the ball bearing 10 , it has sealing washers and is covered by the solid washer 8 . If the milling cutter cavity is blocked by unfavorable chip geometries or if there is too little space under the milling cutter during processing, the cover 2 is unscrewed. In addition to the suction variant shown, it is conceivable to apply the negative pressure in the milling cutter cavity from the milling cutter top or from the circumference.
Bei eingelöteten Schneiden 5 ist es erforderlich, ein Nachschärfen vornehmen zu können. Die in der Fig. 3, 4, 5 dargestellten Schneidgeometrien sind prinzipiell verzerrte Kegelschnitte. Dementsprechend lassen sich die Geometrien z.B. dadurch erzeugen, daß die Schneide 5 von der dem Hohlraum zugewandten Seite mit einem verzerrten Schleifkegel hinterschliffen wird. Für das Nachschärfen ist die Aussparung unter der Schneide 5 soweit auf dem Umfang herumgezogen, daß die Schneide 5 mit dem Schleifkegel erneut bearbeitet werden kann. Sollte der Durchmesser des Fräsers für die Bearbeitungsaufgabe unerheblich sein, kann das Nachschleifen kostengünstig auf einer Rundschleifmaschine erfolgen.When cutting edges 5 are soldered in, it is necessary to be able to resharpen. The cutting geometries shown in FIGS . 3, 4, 5 are in principle distorted conic sections. Accordingly, the geometries can be produced, for example, by grinding the cutting edge 5 from the side facing the cavity with a distorted grinding cone. For the resharpening, the recess under the cutting edge 5 is drawn around on the circumference so far that the cutting edge 5 can be reworked with the grinding cone. If the diameter of the milling cutter is irrelevant for the machining task, regrinding can be done inexpensively on a cylindrical grinding machine.
Für die Bearbeitung unterschiedlicher Materialstärken und Werkstoffe ist es sinnvoll, die Schneidenanordnung variabel zu gestalten. Anstelle von eingelöteten Schneiden 5 sind diese dann auf dem Umfang verklemmt oder verschraubt. Je nach Material kann dann eine speziell angepaßte Schneide 5 eingesetzt werden. Um den Materialstärkenbereich nach oben zu erweitern, sind auf dem Umfang mehrere höhenversetzte und an der Vorderkante abgeschrägte Schneiden 5 verteilt. Ordnet man die Schneiden 5 derart übereinander an, daß sie sich wenigstens um die halbe Schneidenhöhe überlappen, üben die Passivkräfte FP stets einen in Richtung Werkstückmitte weisenden Druck auf die Außenlagen aus.For processing different material thicknesses and materials, it makes sense to make the cutting edge arrangement variable. Instead of soldered-in cutting edges 5 , these are then clamped or screwed onto the circumference. Depending on the material, a specially adapted cutting edge 5 can then be used. In order to expand the material thickness range upwards, several height-offset and bevelled cutting edges 5 are distributed over the circumference. If the cutting edges 5 are arranged one above the other in such a way that they overlap by at least half the cutting edge height, the passive forces FP always exert pressure on the outer layers in the direction of the workpiece center.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863602419 DE3602419A1 (en) | 1986-01-28 | 1986-01-28 | Generating milling cutter for composite materials |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863602419 DE3602419A1 (en) | 1986-01-28 | 1986-01-28 | Generating milling cutter for composite materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3602419A1 true DE3602419A1 (en) | 1987-07-30 |
Family
ID=6292741
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863602419 Withdrawn DE3602419A1 (en) | 1986-01-28 | 1986-01-28 | Generating milling cutter for composite materials |
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DE (1) | DE3602419A1 (en) |
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1986
- 1986-01-28 DE DE19863602419 patent/DE3602419A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |